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透平膨脹機(jī)是利用氣體膨脹對外做功而得到能量的裝備，也是低溫空分設(shè)備及氣體分離和液化裝置的重要組成部分。增壓透平膨脹機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域較為常見且應(yīng)用較廣的一種膨脹機(jī)，其轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由膨脹輪、增壓輪和主軸等旋轉(zhuǎn)零件組成，其中膨脹輪和增壓輪懸掛在主軸的兩端形成雙懸臂式轉(zhuǎn)子。近年來，冶煉、石化和火電行業(yè)的集約化發(fā)展對透平膨脹機(jī)提出了大型化、高速化和高可靠性的要求。轉(zhuǎn)子系統(tǒng)是透平膨脹機(jī)中連接氣體膨脹做功和對外輸出能量的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是整個透平膨脹機(jī)的“心臟”，其性能的可靠性和穩(wěn)定性對透平膨脹機(jī)的安全運(yùn)行起著決定性的作用。因此，通過對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的有限元分析，可以了解應(yīng)力的分布狀態(tài)，對透平膨脹機(jī)的設(shè)計和生產(chǎn)具有重要的應(yīng)用價值和參考意義。
透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作環(huán)境錯綜復(fù)雜，受到流場和溫度場的耦合作用，另外還受到轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)引起的離心力及其它作用力。由于流熱固三場耦合作用分析難度較大，目前有關(guān)透平膨脹機(jī)零部件在耦合應(yīng)力下的強(qiáng)度分析多采用結(jié)點集中力等效流場氣動力，葉輪的進(jìn)出口溫度等效葉輪表面溫度分布，沒有對流場和溫度場進(jìn)行詳細(xì)的分析且忽略了各個物理場之間的相互作用關(guān)系，導(dǎo)致關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度分析不夠精確，給轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計造成了一定的誤差和隱患。為了真實地反映流場和溫度場在轉(zhuǎn)子系統(tǒng)上的載荷分布，進(jìn)行流熱固三場耦合計算，本文使用CFX進(jìn)行葉輪內(nèi)部流場分析，ANSYS進(jìn)行轉(zhuǎn)子系統(tǒng)熱分析和結(jié)構(gòu)分析，應(yīng)用ANSYS Workbench來實現(xiàn)流場、溫度場和結(jié)構(gòu)場之間的耦合作用，完成透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在耦合應(yīng)力下的強(qiáng)度分析。
耦合分析是指考慮兩個或兩個以上物理場之間的交叉作用和相互作用的分析類型。目前用于求解耦合分析問題的方法主要有直接耦合法(強(qiáng)耦合法)和順序耦合法(弱耦合法)。直接耦合法通過改寫各物理場的控制方程，構(gòu)造出統(tǒng)一的求解方程并直接求解。該方法不存在時間滯后問題，但是求解時要求各場網(wǎng)格一致，實際應(yīng)用價值不高。相反，順序耦合法按照一定的順序依次求解各個物理場的控制方程，并在各場交界面通過插值運(yùn)算交換信息從而實現(xiàn)耦合求解。該方法的優(yōu)點在于各物理場求解過程相互獨(dú)立，可以最大化地利用己有數(shù)值分析的方法和程序，縮短計算時間。因此，本文采用順序耦合法進(jìn)行透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)流熱固三場耦合分析計算，由于只考慮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性能，各物理場交界面處采用單向數(shù)據(jù)傳遞模式，其計算流程如圖所示，包含流場分析，熱分析和結(jié)構(gòu)分析。在三場耦合分析的計算過程中，葉輪表面氣體壓強(qiáng)在流固交界面處從流場單向傳遞到結(jié)構(gòu)場，葉輪表面溫度在流熱交界面處從流場單向傳遞到溫度場。熱分析導(dǎo)熱微分方程是求解轉(zhuǎn)子系統(tǒng)傳熱問題的控制方程，對于各向同性材料，導(dǎo)熱微分方程在笛卡爾坐標(biāo)系下可以表達(dá)為如下形式：根據(jù)位移列陣可以計算出應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)，應(yīng)用第四強(qiáng)度理論完成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。
根據(jù)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的實際模型，建立流熱固三場耦合分析所需要的計算模型，整個過程包括三維建模，網(wǎng)格劃分，載荷和邊界條件及其它相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。首先采用葉片設(shè)計專用軟件B1adeGen完成膨脹輪和增壓輪葉片的幾何造型，然后在Design Modeler中完成全流道流場的三維建模。出于CFD計算收斂性和穩(wěn)定性方面的考慮，適當(dāng)?shù)匮娱L了葉輪的入口段和出口段，采用四面體劃分法和掃掠法相結(jié)合的方式對流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即對入口段和出口段采用四面體劃分法而對葉輪流道內(nèi)的流體采用掃掠法。此外，對于流道內(nèi)的流體，需要考慮邊界層的影響，所以對靠近葉片、輪盤和輪蓋的流膨脹輪和增壓輪內(nèi)的流場計算使用CFX軟件，兩個葉輪的流場模擬類型均為穩(wěn)態(tài)分析，以透平膨脹機(jī)的穩(wěn)態(tài)工況作為輸入條件。兩個葉輪的工作轉(zhuǎn)速均為22700r/min，采用經(jīng)典的湍流模型和全熱(Total Energy)熱量傳輸模型，工作介質(zhì)為空氣(理想氣體)，邊界條件都采用入口質(zhì)量流量、出口靜壓和壁面無滑移條件。
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